在具备空中接受油管子的轰-6N未服役时，轰-6K是中国空军轰-6系列轰炸机中，性能最为全面和出色的轰炸机，外观最明显的变化就是机头重新设计，较之轰-6此前的型号变得非常漂亮了。

其最大的改进之处就是换装了新的航空发动机，选择了从俄罗斯引进的D-30KP2型涡扇发动机，取代老此前轰-6系列轰炸机普遍使用的老式涡喷-8发动机，拥有了较高的物理稳定性及可靠性。

由于换装了新的D-30KP2涡扇发动机，即便重量在原轰-6系列轰炸机中增加了约20吨，轰-6K轰炸机最大的航程仍然轻松地突破了8000公里，空载状态下理论上能达到9000公里，这就意味着执行来回用铁弹轰炸关岛的任务都绰绰有余。

轰-6K，在发动机功率大幅提高以后，设置了全新的机翼挂架，拥有6个挂架，其中，内侧4个挂架是重载挂架，最大外挂能力在2.5吨；2个外侧挂架，外挂能力不低于2吨，最大载弹量增加到13吨。

由于机载设备较之轰-6系列其他轰炸机有了很大的提高，精简了机组成员，由先前的6人制改成3人制，设正、副驾驶员以及位于后舱右侧的武器控制员。

取消了机上安装的7门聊胜于无的23mm机关炮，加装了全套雷达警戒系统和导弹逼近紫外预警系统，后机身两侧安装有12组红外/箔条干扰弹发射装置，对来袭导弹实施干扰，提高自身生存能力。

在机鼻内安装了多功能雷达和光电球，解决了轰-6此前看不远和看不清楚的问题，能外挂6枚最大射程2500公里的AKD-20空射巡航导弹，执行对陆高价值目标的打击；或挂载6枚空射时射程超过400公里的大空域、高机动性、多平台兼容、具备全球先进水平的超音速重型反舰导弹“鹰击-12”，在敌舰载武器防区外发射，用来打击水面上移动的大中型水面舰艇，只需1枚即可重创或击沉1艘5000吨级以上的大型舰艇。

有了大航程且能携带AKD-20空射巡航导弹和“鹰击-12”重型超音速反舰导弹的轰-6K轰炸机，航程远、载弹量大，综合性能优越，对于缺乏有效空中打击的中国空军来说，具备里程碑式的意义。

空军在装备了轰-6K轰炸机以后，以苏-30、苏-35伴飞的形式，或是轰-6K双机、四机、六机等编队形式执行了台海、东海、南海等海域的战备巡逻任务，特别是与俄罗斯空天军的图-95MS“熊”轰炸机在日本海、东海等相关海域进行了联合战备巡逻。

尽管双方宣称联合巡航只是为了全面发展中俄全面战略伙伴关系，不针对第三国，但中俄轰炸机编队行动，有提升两军作战水平和联合行动能力，仍然引发了全球军界的高度关注，特别是日韩等国貌似如临大敌一般，对于空中的中俄轰炸机编队进行了密切的检视。

在第二次中俄空军轰炸机在日本海、东海相关海域进行联合战略巡航以后，网络上就有了关于轰-6K机翼外挂架是6个还是8个的争议，本次参与的中国派出的2组共4架轰-6轰炸机的挂架似乎有所增加，达到了8个，比此前中国空军参与战备巡逻的轰-6K的6个挂架多了了2个翼尖挂架。

其实，确切地说参与第二次中俄空军轰炸机在日本海、东海相关海域联合战略巡航的中方派出的轰炸机，不是空军的轰-6K轰炸机，而是中国海军航空兵所拥有的轰-6J轰炸机，是与中国空军轰-6K“一机双型”并行研制的海军型。

轰-6K研制，为其选择新型导弹发射平台消除了障碍，“一机两型”的模式无论对降低研制、使用成本，简化后勤维护和保障难度都是非常有益的。

在轰-6K装备中国空军大约5年后，海军型的轰-6J开始进入航空兵服役，最大的变化是在空军型轰-6K的基础上强化了机载雷达对海探测能力，加装了一些适合海上飞行使用的通信导航系统和海上救生设备。

此外，海军型轰-6J在外观上有别于空军型轰-6K最大的就是多了2个翼尖挂架，用来外挂2具新型大功率K/RKL-800电子干扰吊舱，能强化欺骗干扰能力，使敌方舰载防空系统无法及时精确获取轰-6J的目标航向等信息，难以进行舰载防空武器的有效拦截，提高轰-6J在战时的生存能力。